基于DSP的四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭志峰 陳凱生

摘 要：四旋翼無人機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，控制難度較大，一直是研發(fā)人員的重點(diǎn)研究對象，本文以DSP為核心控制器，利用DSP可以快速實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字信號處理算法的優(yōu)勢，研究在DSP環(huán)境下四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：四旋翼；DSP；控制

四旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，可垂直起降、對飛行空間要求少等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受研究人員的關(guān)注，四旋翼無人機(jī)的研究熱度持續(xù)增加。四旋翼無人機(jī)是一個(gè)典型多輸入多輸出系統(tǒng)，控制難度較大，需要處理器對姿態(tài)傳感器采集的姿態(tài)信號快速處理，并發(fā)送控制信號給動(dòng)力系統(tǒng)，時(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)。因此，四旋翼無人機(jī)的控制器需要具有快速實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字信號處理算法的能力，而DSP即數(shù)字信號處理器可以解決這一問題。

本文以TMS320F28335為核心，研究四旋翼無人機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)[1]。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮 點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出 （HRPWM），12位16通道ADC，滿足四旋翼無人機(jī)的基本需求。無人機(jī)控制系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

無人機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分主要包括處理器模塊、姿態(tài)檢測模塊、無線通訊模塊、穩(wěn)壓供電模塊等，硬件系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以DSP控制器為主要處理器，起到對無人機(jī)各個(gè)模塊整體協(xié)調(diào)的作用。慣性測量模塊（IMU）主要包括MPU6050姿態(tài)傳感器和高度氣壓計(jì)等，用來測量四旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)；無線通訊模塊主要指與遙控器配對使用的接收機(jī)，無線電遙控器通過接收機(jī)遠(yuǎn)程遙控四旋翼無人機(jī)，進(jìn)行姿態(tài)控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是指電子調(diào)速器，可以方便的控制直流無刷電機(jī)，電子調(diào)速器主要由六個(gè)功率開關(guān)和ECU芯片組成，主要功能是將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，波形一般為梯形波；穩(wěn)壓供電模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，防止電脈沖信號對電子元器件的損壞；上位機(jī)可以通過串口與飛控系統(tǒng)連接，采集四旋翼無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，以便調(diào)試和更好的控制。

2 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)的思路是，慣性測量傳感器測的飛機(jī)姿態(tài)信號和氣壓計(jì)測的高度信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后，解出飛機(jī)的俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角信號，再將這些姿態(tài)信號傳遞給DSP控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這些信號經(jīng)過DSP控制器控制算法運(yùn)算后，輸出PWM信號給電子調(diào)速器，進(jìn)而控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到無人機(jī)穩(wěn)定飛行。

姿態(tài)解算是四旋翼無人機(jī)控制的關(guān)鍵之一，姿態(tài)解算的精度和速度將直接影響飛行控制算法的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)現(xiàn)的難易程度，所以，姿態(tài)解算是飛行控制實(shí)現(xiàn)的前提[2]。常用的姿態(tài)解算算法有很多，如歐拉角法，四元數(shù)法，方向余弦法。姿態(tài)解算的主要作用是將姿態(tài)傳感器和加速度傳感器信號轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的姿態(tài)角和速度信號。本控制系統(tǒng)用的是基于四元數(shù)的姿態(tài)解算算法，四元數(shù)是愛爾蘭數(shù)學(xué)家哈密頓發(fā)明的數(shù)學(xué)概念，它是復(fù)數(shù)在四維空間的延伸，它實(shí)質(zhì)上是求解四個(gè)未知量的線性微分方程組，具有計(jì)算量小、算法簡單等特點(diǎn)。

3 自動(dòng)代碼生成

系統(tǒng)硬件和軟件搭建起來后，需要對DSP開發(fā)板進(jìn)行程序編寫和下載。傳統(tǒng)的DSP開發(fā)方式是在TI公司提供的CCS軟件下編寫程序，經(jīng)過仿真器與DSP開發(fā)板連接，然后進(jìn)行調(diào)試、下載等工作，這樣做開發(fā)效率低下、容易出錯(cuò)。而MATLAB為開發(fā)人員提供了DSP的自動(dòng)代碼生成技術(shù)，使軟件開發(fā)人員擺脫了底層開發(fā)的困擾，同時(shí)將算法設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，完成了算法仿真和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的無縫連接[3]。

MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開發(fā)了CCSLink工具，提供了MATLAB和CCS的接口，即把MATLAB和TI CCS及目標(biāo)DSP連接起來。而且Simulink中集成了DSP的開發(fā)模塊，本文在Simulink環(huán)境下建立控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行模型仿真，對算法進(jìn)行驗(yàn)證，一旦仿真結(jié)果滿意，便可以插入C2000 DSP的應(yīng)用模塊，利用Real―Time Workshop直接生成DSP的可執(zhí)行目標(biāo)代碼，完成代碼加載、執(zhí)行及與目標(biāo)DSP進(jìn)行通信等功能。

4 結(jié)語

通過利用TMS320F28335搭建四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)，充分利用DSP數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，綜合硬件部分和軟件部分，通過在自動(dòng)代碼生成技術(shù)，在Simulink中搭建仿真模型并驗(yàn)證，生成代碼加載到DSP目標(biāo)板中，最終實(shí)現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定飛行。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷曉瑜，曹廣忠.TMS320F28335及其最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009， 17（1）：91-92.

[2] 梁延德，程敏，何福本 等.基于互補(bǔ)濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2011，30（11）：56-58.